MOS绝缘栅型场效应管之图解
mos管
第3章 场效应管及其放大电路 2. 可变电阻区 当uDS很小，|uDS-uGS|<|UGSoff|时，即预夹断前(如图 3―4(a)所示)，uDS 的变化直接影响整个沟道的电场强 度，从而影响iD 的大小。所以在此区域，随着uDS的增 大， iD增大很快。 与双极型晶体管不同，在JFET中，栅源电压uGS对 iD上升的斜率影响较大，随着 |UGS|增大，曲线斜率变 ΔuDS ) 小，说明JFET的输出电阻 rDS ( = Δi D 变大。如图3--3(b)所示
第3章 场效应管及其放大电路 (2)UGS 固定，uDS 增大，iD 增大极小。说明在恒流 区，uDS 对iD 的控制能力很弱。这是因为，当uDS 较大 时，UDG增大，靠近漏区的PN结局部变厚，当 |uDS-uGS|>|UGSoff| (3―3) 时，沟道在漏极附近被局部夹断(称为预夹断)， 如图3―4(b)所示。此后， uDS再增大，电压主要降到局 部夹断区，而对整个沟道的导电能力影响不大。所以 uDS的变化对iD影响很小。
IGFET
第3章 场效应管及其放大电路
3―1结型场效应管
3―1―1结型场效应管的结构及工作原理 结 型 场 效 应 管 (JunctionFieldEffectTransistor) 简 称 JFET，有N沟道JFET和P沟道JFET之分。图3―1给出 了JFET的结构示意图及其表示符号。
第3章 场效应管及其放大电路
(3―5)
第3章 场效应管及其放大电路 因为UGD=UGS-UDS，当UDS增大，使UGD<UGSth 时，靠近漏极的沟道被首先夹断(如图 3―9所示)。此 后， UDS再增大，电压的大部分将降落在夹断区(此处 电阻大)，而对沟道的横向电场影响不大，沟道也从此 基本恒定下来。所以随UDS的增大，iD增大很小，曲线 从此进入恒流区。
绝缘栅型场效应管之图解
绝缘栅型场效应管之图解绝缘栅型场效应管之图解N 沟道绝缘栅型场效应管结构动画其他MOS 管符号绝缘栅型场效应管是一种利用半导体表面的电场效应，由感应电荷的多少改变导电沟道来控制漏极电流的器件，它的栅极与半导体之间是绝缘的，其电阻大于增强型：VGS=0时，漏源之间没有导电沟道， 漏源之间有导电沟道，在VDS 作用下iD 。
1.结构和符号（以在一块浓度较低的 覆盖二氧化硅绝缘层并引出一个电极作为栅极。
N 沟道增强型为例）P 型硅上扩散两个浓度较高的 P 衬底00 Qo在VDS 作用下无iD o 耗尽型：VGS=0时,N 型区作为漏极和源极，半导体表面DWSN 沟ifi 箭头问里 衬底斷开S 心1I衬底SN沟道衬底2.工作原理(以N沟道增强型为例)(1) VGS=0时，不管VDS极性如何，其中总有一个PN结反偏，所以不存在导电沟道。
VGS =0 ID =0VGS必须大于0管子才能工作。
(2) VGS>0时，在Sio2介质中产生一个垂直于半导体表面的电场，排斥P区多子空穴而吸引少子电子。
T|l戶-iHVosgTTId n -VGS 达到一定值时P 区表面将形成反型层把两侧的沟通，形成导电沟道。
VGS >A g 吸引电子7反型层7导电沟道 VGSf f 反型层变厚7 VDS ID ?⑶VGS> VT时而VDS较小时:VDS— ID tVT:开启电压，在VDS作用下开始导电时的VGSVT = VGS —VDS V DS V GSV GS3. 特性曲线（以N 沟道增强型为例）场效应管的转移特性曲线动画g =丿着-1）2 Aa （j 是％卅=2齐・|【寸的//丫4. 其它类型MOS 管制造时在栅极绝缘层中掺有大量的正离子， 所以即使在VGS=0时,N 区之间存在导电沟道（类似结型场效应管）。
4/D4-2-K 夹端轨迹\bs-6V壯严厲V s■ ■ _ _2y ;nI II I I ■2 4 6 8 iO 12（1） N 沟道耗尽型: 由于正离子的作用，PN 结 衬底-4 JVbs=5I ! ^GSg其它类型MOS 管（2） P 沟道增强型：VGS = 0时，ID = 0开启电压小于零，所以只有当 VGS < 0时管子才能工作。
绝缘栅型场效应管
绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管(Insulated Gate Field Effect Transistor，IGFET)的栅极与源极、栅极与漏极之间均采用SiO2绝缘层隔离，因此而得名。
又因为栅极为金属铝，故又称为MOS(Metal-Oxide-Semicondutor)管。
a. N沟道增强型MOS管结构示意图b. 符号(符号中的箭头表示从P区（衬底）指向N区（N沟道），虚线表示增强型。
)与结型场效应管相同，MOS管也有N沟道和P沟道两类，但每一类又分为增强型和耗尽型两种。
因此MOS管分为四种类型：N沟道增强型、N沟道耗尽型管、P沟道增强型管和P沟道耗尽型管。
(凡栅-源电压U GS为零时漏极电流也为零的管子，均属于增强型管；凡栅-源电压U GS为零漏极电流部位零的管子均属于耗尽型管。
)一、N沟道增强型MOS管N沟道增强型MOS管结构和符号如上图所示，它一块低掺杂的P型硅片为衬底，利用扩散工艺制作两上高掺杂的N+ 区，并引出两个电极，分别为源极s和漏极d，半导体之上制作一层SiO2绝缘层，再在SiO2之上制作一层金属铝，引出电极，作为栅极g。
通常衬底与源极接在一起使用。
这样，栅极和衬底各相当于一个极板，中间是绝缘层，形成电容。
当栅-源电压变化时，将改变衬底靠近绝缘层处感应电荷的多少，从而控制漏极电流的大小。
1、工作原理①栅-源电压U GS的控制作用①当U GS=0V时，漏源之间相当两个背靠背的二极管，在d、s之间加上电压也不会形成电流，即管子截止。
②当U DS=0且U GS＞0V时(由于SiO2的存在，栅极电流为零，但是栅极金属层将聚集正电荷)→纵向电场→将靠近栅极下方的空穴向下排斥(使之剩下不能移动的负离子区)→耗尽层。
③再增加U GS →纵向电场↑→耗尽层增宽→将P区少子电子聚集到P区表面(耗尽层与绝缘层之间) →形成一个N型薄层，称为反型层，整个反型层就构成漏-源之间的导电沟道，如果此时加有漏源电压，就可以形成漏极电流i d。
MOSFET基础知识介绍
场效应三极管
只有一种载流子参与导电，且利用电场效应来控制 电流的三极管，称为场效应管，也称单极型三极管。
结型场效应管 场效应管分类
绝缘栅型场效应管
特点
单极型器件(一种载流子导电)；
输入电阻高； 工艺简单、易集成、功耗小、体积小、 成本低。
结型场效应管
一、结构
D 漏极
S
G
D
N+ N+
N 型沟道 P 型衬底
(3) UDS = 0，UGS ≥ UGS(th)
由于吸引了足够多的电子，
B
会在耗尽层和 SiO2 之间形成可移动的表面电荷层 —— 反 型 层 、 N 型 导 电 沟 道 。 UGS 升 高 ， N 沟 道 变 宽 。 因 为 UDS=0，所以ID=0。
ID /mA
ID
IDSS
UP O UGS
O
ID O UP UGS
IDSS
ID
ID
+ + +
o
UGS= 0V
UDS
+ +
栅型 强
N 沟道 型 G
B
S
O UT UGS
+
+
O
UGS = UT UDS
种类
绝缘 耗 栅型 尽 N 沟道 型
符号
D ID
B G
S
增
D ID
强
型G
B
绝缘
S
栅型 P 沟道 耗
D ID
IDSS/V
-1
G
D
+
+
V UG
S
V UDS
S
VDD
绝缘栅型场效应管
场效应管是一种利用电场效应来控制电流的半导体器件。 其作用有放大、开关、可变电阻。
特点：输入电阻很大；便于集成
分类：结型（N沟道、P沟道） 绝缘栅型 增强型（N沟道、P沟道） 耗尽型（N沟道、P沟道）
2
1.1 基本结构和工作原理
1. 基本结构
N沟道增强型
导电 沟道
源极 栅极 漏极
ID
转移特性曲线
夹断电压
UGS
Uoff 0
13
不论栅—源电压正、负或0都能控制漏极 电流，但一般工作在负栅—源电压状态
ID
输出特性曲线
UGS>0
UGS=0
UGS<0
0
U DS
14
P沟道绝缘栅场效应管的工作原理和特性 与N沟道场效应管完全相同，两者只是在工 作时所加电压的极性不同，当然，产生电流 的方向也不同。
漏源极电压U DS的关系曲线
Ⅰ区：UDS较小时
可变电阻区 Ⅰ
Ⅱ 恒流区
I相D随当U于DS的一增个加可而变增电加阻，ID
Ⅱ区：UDS较大时
I化D只，随UGUSG一S的定变时化，而相变 当于一个压控恒流源
0
UGS=5V UGS=4V UGS=3V
U DS
12
❖耗尽型N沟道MOS管的特性曲线
反向电耗压尽才型能的夹M断OS。管UGS=0时就有导电沟道，加
S GD
UGS较小时， 导电沟道相当 于电阻将D-S 连接起来， U阻G越S越小大。此电
N
N
P
10
1.2 增强型N沟道MOS管的特性曲线
1. 转移特性
当压漏UG源S的间关电系压曲U线DS。保持一定值时，漏极电流ID与栅源极电
绝缘栅型场效应管
绝缘栅型场效应管在结型场效应管中，栅极和沟道间的PN结是反向偏置的，所以输入电阻很大。
但PN结反偏时总会有一些反向电流存在，这就限制了输入电阻的进一步提高。
如果在栅极与沟道间用一绝缘层隔开，便制成了绝缘栅型场效应管，其输入电阻可提高到。
根据绝缘层所用材料之不同，绝缘栅场效应管有多种类型，目前应用最广泛的一种是以二氧化硅（SiO2）为绝缘层的金属一氧化物一半导体（Meial-Oxide-Semiconductor）场效应管，简称MOS场效应管（MOSFET）。
它也有N沟道和P 沟道两类，每类按结构不同又分为增强型和耗尽型。
一、增强型MOS管1．结构与符号图Z0125是N沟道增强型MOS管的结构示意图和符号。
它是在一块P型硅衬底上，扩散两个高浓度掺杂的N+区，在两个N+区之间的硅表面上制作一层很薄的二氧化硅（SiO2）绝缘层，然后在SiO2和两个N型区表面上分别引出三个电极，称为源极s、栅极g和漏极d。
在其图形符号中，箭头表示漏极电流的实际方向。
2．工作原理绝缘栅场效应管的导电机理是，利用U GS控制"感应电荷"的多少来改变导电沟道的宽窄，从而控制漏极电流I D。
若U G S＝0时，源、漏之间不存在导电沟道的为增强型MOS管，U GS＝0 时，漏、源之间存在导电沟道的为耗尽型MOS管。
图Z0125中衬底为P型半导体，在它的上面是一层SiO2薄膜、在SiO2薄膜上盖一层金属铝，如果在金属铝层和半导体之间加电压U GS，则金属铝与半导体之间产生一个垂直于半导体表面的电场，在这一电场作用下，P型硅表面的多数载流子-空穴受到排斥，使硅片表面产生一层缺乏载流子的薄层。
同时在电场作用下，P型半导体中的少数载流子-电子被吸引到半导体的表面，并被空穴所俘获而形成负离子，组成不可移动的空间电荷层（称耗尽层又叫受主离子层）。
U G S愈大，电场排斥硅表面层中的空穴愈多，则耗尽层愈宽，且U GS愈大，电场愈强；当U GS增大到某一栅源电压值V T（叫临界电压或开启电压）时，则电场在排斥半导体表面层的多数载流子-空穴形成耗尽层之后，就会吸引少数载流子-电子，继而在表面层内形成电子的积累，从而使原来为空穴占多数的P型半导体表面形成了N型薄层。
绝缘栅场效应晶体管工作原理及特性
绝缘栅场效应晶体管工作原理及特性场效应管(MOSFET)是一种外形与普通晶体管相似，但控制特性不同的半导体器件。
它的输入电阻可高达1015W，而且制造工艺简单，适用于制造大规模及超大规模集成电路。
场效应管也称为MOS管，按其结构不同，分为结型场效应晶体管和绝缘栅场效应晶体管两种类型。
在本文只简单介绍后一种场效应晶体管。
绝缘栅场效应晶体管按其结构不同，分为N沟道和P沟道两种。
每种又有增强型和耗尽型两类。
下面简单介绍它们的工作原理。
1、增强型绝缘栅场效应管2、图6-38是N沟道增强型绝缘栅场效应管示意图。
在一块掺杂浓度较低的P型硅衬底上，用光刻、扩散工艺制作两个高掺杂浓度的N+区，并用金属铝引出两个电极，称为漏极D和源极S如图6-38(a)所示。
然后在半导体表面覆盖一层很薄的二氧化硅(SiO2)绝缘层，在漏-源极间的绝缘层上再装一个铝电极，称为栅极G。
另外在衬底上也引出一个电极B，这就构成了一个N沟道增强型MOS管。
它的栅极与其他电极间是绝缘的。
图6-38(b)所示是它的符号。
其箭头方向表示由P(衬底)指向N(沟道)。
图6-38 N沟道增强型场效应管场效应管的源极和衬底通常是接在一起的(大多数场效应管在出厂前已联结好)。
从图6-39(a)可以看出，漏极D和源极S之间被P型存底隔开，则漏极D和源极S之间是两个背靠背的PN结。
当栅-源电压UGS=0时，即使加上漏-源电压UDS，而且不论UDS的极性如何，总有一个PN结处于反偏状态，漏-源极间没有导电沟道，所以这时漏极电流ID≈0。
若在栅-源极间加上正向电压，即UGS＞0，则栅极和衬底之间的SiO2绝缘层中便产生一个垂直于半导体表面的由栅极指向衬底的电场，这个电场能排斥空穴而吸引电子，因而使栅极附近的P型衬底中的空穴被排斥，剩下不能移动的受主离子(负离子)，形成耗尽层，同时P衬底中的电子(少子)被吸引到衬底表面。
当UGS数值较小，吸引电子的能力不强时，漏-源极之间仍无导电沟道出现，如图6-39(b)所示。
《绝缘栅型场效应管》课件
结型场效应晶体管，用于高频放大器和高速开关。
绝缘栅型场效应管的特性
特性曲线
绘制电流和电压之间的关系曲线，可以了解绝 缘栅型场效应管的工作特性。
电流、电压和功率的关系
通过改变电压，可以控制电流和功率的输出。
绝缘栅型场效应管的应用
1
电子器件中的应用
绝缘栅型场效应管广泛应用于集成电路、电源管理和通信设备场效应管可用于控制太阳能光伏电池板的功率输出和电流传输。
绝缘栅型场效应管的优点和缺点
优点
可靠性高、电源电压低、功率损耗小、尺寸小、响应速度快。
缺点
电磁干扰敏感、温度变化影响性能、微电子制程技术要求高。
绝缘栅型场效应管的未来展望
1 技术趋势
2 发展前景
随着科技的不断发展，绝缘栅型场效应管 将趋向更小尺寸、更高功率和更低损耗。
绝缘栅型场效应管的结构和工作原理
MOSFET结构
MOSFET由绝缘栅、源和漏构成，当施加电压到 绝缘栅时，控制了漏-源通道上的电流。
JFET结构
JFET由绝缘栅、源和漏构成，其电流可通过调 节绝缘栅电压来控制。
常用的绝缘栅型场效应管
1 MOSFET
金属-绝缘体-半导体场效应晶体管，广泛应用于数字和模拟电路中。
绝缘栅型场效应管在电子领域的应用将继 续扩大，推动科技和工业发展。
《绝缘栅型场效应管》 PPT课件
这是一个关于绝缘栅型场效应管的PPT课件。我们将介绍绝缘栅型场效应管 的结构、工作原理、特性、应用以及未来展望。
什么是绝缘栅型场效应管
简介
绝缘栅型场效应管是一种重要的半导体器件， 可用于电子系统中的放大、开关和调节。
分类
根据不同结构和特性，绝缘栅型场效应管可 以分为MOSFET和JFET两种类型。
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绝缘栅型场效应管之图解
绝缘栅型场效应管是一种利用半导体表面的电场效应，由感应电荷的多少改变导电沟道来控制漏极电流的器件，它的栅极与半导体之间是绝缘的，其电阻大于1000000000Ω。
增强型：VGS=0时，漏源之间没有导电沟道，在VDS作用下无iD。
耗尽型：VGS=0时，漏源之间有导电沟道，在VDS作用下iD。
1. 结构和符号（以N沟道增强型为例）
在一块浓度较低的P型硅上扩散两个浓度较高的N型区作为漏极和源极，半导体表面覆盖二氧化硅绝缘层并引出一个电极作为栅极。
N沟道绝缘栅型场效应管结构动画
其他MOS管符号
2. 工作原理（以N沟道增强型为例）
(1) VGS=0时，不管VDS极性如何，其中总有一个PN结反偏，所以不存在导电沟道。
VGS =0， ID =0
VGS必须大于0管子才能工作。
(2) VGS>0时，在Sio2介质中产生一个垂直于半导体表面的电场，排斥P区多子空穴而吸引少子电子。
当VGS达到一定值时P区表面将形成反型层把两侧的N区沟通，形成导电沟道。
VGS >0→g吸引电子→反型层→导电沟道
VGS↑→反型层变厚→ VDS ↑→ID↑
(3) VGS≥VT时而VDS较小时：VDS↑→ID ↑
VT：开启电压，在VDS作用下开始导电时的VGS°，VT = VGS —VDS
(4) VGS>0且VDS增大到一定值后，靠近漏极的沟道被夹断，形成夹断区。
VDS↑→ID 不变
3、NMOS和PMOS
在实际项目中，我们基本都用增强型mos管，分为N沟道和P沟道两种。
我们常用的是NMOS，因为其导通电阻小，且容易制造。
在MOS管原理图上可以看到，漏极和源极之间有一个寄生二极管。
这个叫体二极管，在驱动感性负载（如马达），这个二极管很重要。
顺便说一句，体二极管只在单个的MOS管中存在，在集成电路芯片内部通常是没有的。
3.1．导通特性
NMOS的特性，Vgs大于一定的值就会导通，适合用于源极接地时的情况（低端驱动），只要栅极电压达到4V 或10V就可以了。
PMOS的特性，Vgs小于一定的值就会导通，适合用于源极接VCC时的情况（高端驱动）。
但是，虽然PMOS 可以很方便地用作高端驱动，但由于导通电阻大，价格贵，替换种类少等原因，在高端驱动中，通常还是使用NMOS。
3.2．MOS开关管损失
不管是NMOS还是PMOS，导通后都有导通电阻存在，这样电流就会在这个电阻上消耗能量，这部分消耗的能量叫做导通损耗。
选择导通电阻小的MOS管会减小导通损耗。
现在的小功率MOS管导通电阻一般在几十毫欧左右，几毫欧的也有。
MOS在导通和截止的时候，一定不是在瞬间完成的。
MOS两端的电压有一个下降的过程，流过的电流有一个上升的过程，在这段时间内，MOS管的损失是电压和电流的乘积，叫做开关损失。
通常开关损失比导通损失大得多，而且开关频率越高，损失也越大。
导通瞬间电压和电流的乘积很大，造成的损失也就很大。
缩短开关时间，可以减小每次导通时的损失；降低开关频率，可以减小单位时间内的开关次数。
这两种办法都可以减小开关损失。
3.1．MOS管驱动
跟双极性晶体管相比，一般认为使MOS管导通不需要电流，只要GS电压高于一定的值，就可以了。
这个很容易做到，但是，我们还需要速度。
在MOS管的结构中可以看到，在GS，GD之间存在寄生电容，而MOS管的驱动，实际上就是对电容的充放电。
对电容的充电需要一个电流，因为对电容充电瞬间可以把电容看成短路，所以瞬间电流会比较大。
选择/设计MOS 管驱动时第一要注意的是可提供瞬间短路电流的大小。
第二注意的是，普遍用于高端驱动的NMOS，导通时需要是栅极电压大于源极电压。
而高端驱动的MOS管导通时源极电压与漏极电压（VCC）相同，所以这时栅极电压要比VCC大4V或10V。
如果在同一个系统里，要得到比VCC大的电压，就要专门的升压电路了。
很多马达驱动器都集成了电荷泵，要注意的是应该选择合适的外接电容，以得到足够的短路电流去驱动MOS管。
4、MOS管的分类
4.1．MOS管的分类
按沟道材料型和绝缘栅型各分N沟道和P沟道两种;按导电方式：MOS管又分耗尽型与增强型，所以MOS场效应晶体管分为N沟耗尽型和增强型;P沟耗尽型和增强型四大类。
4.2.MOS管应用
MOS管最显著的特性是开关特性好，所以被广泛应用在需要电子开关的电路中，常见的如开关电源和马达驱动，也有照明调光。
而且由MOS管构成的CMOS传感器为相机提供了越来越高的画质，成就了更多的“摄影家”。
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